Termal kütle özelliği; bir malzemenin ısı enerjisini emme (absorption), depolama (storage) ve tekrar serbest bırakma (release) yeteneğidir. Yüksek termal kütleye sahip olan beton, tuğla ve fayans gibi yüksek yoğunluklu malzemelerin sıcaklığını değiştirmek için çok fazla ısı enerjisi gereklidir. Ahşap gibi hafif malzemeler ise daha düşük termal kütleye sahiptir. Bu nedenle termal kütlenin uygun kullanımı, konfor ve ısıtma/soğutma performansında büyük bir fark yaratmaktadır.
Yüzlerce yıl önce ilk uygarlıklar, sıcak ve kuru iklimlerde yaşamı konforlu hale getirebilmek için taş ve ker-piç kullanarak bu malzemelerin termal kütle özelliklerinden yararlanmıştır. Günümüzde ise betonarme yapılarda bu avantajdan faydalanılarak hem daha konforlu bir yaşam hem de ısıtma ve soğutma maliyetlerinin daha düşük olması sağlanabilmektedir. Aslında bu sadece enerji verimliliği anlamına gelmemekte, aynı zamanda yüksek güç talebinin ve CO2 emisyonunun da azaltılması anlamına gelmektedir.

Termal kütlenin faydaları
Termal kütlesi yüksek olan beton, enerjiyi yavaş bir şekilde emer ve daha az kütleli malzemelere göre çok daha uzun süre bünyesinde tutar. Bu da ısı transferini geciktirir ve azaltır. Bunun sonucunda:

• Tepki süresi yavaşladığı ve iç ortam sıcaklık dalgalanmaları azaldığı için ısıtma ve soğutma gereksinimlerinde daha az artış meydana gelir.

• Günlük sıcaklık dalgalanması çok yüksek olan iklimlerde termal kütlesi yüksek olan büyük bir yapı, kütlesel olarak büyük elemanlarının daha az ısı transferine neden olması nedeniyle benzer düşük termal kütleli bir yapıdan daha az enerji kullanır.
• Termal kütle; enerji talebini, hizmet oranlarının daha düşük olduğu yoğun olmayan dönemlere kaydırabilir. Santraller pik yüklerde güç sağlayacak şekilde tasarlandığı için pik yükün kaydırılması sonucu gerekli santral sayısı azaltılabilir. Binalarda betonun kullanılmasının enerji açısından en önemli faydası termal kütlesi sayesinde termal kararlılığı sağlamasıdır.

Binalarda kullanılan betonun termal kütlesi;

• Güneş enerjisinden en iyi şekilde kullanılarak ısıtma için gerekli enerji ihtiyacını azaltmakta,
• Isıtma için enerji tüketimini %2 -%15 oranında azaltmakta,
• İç mekândaki ısı dalgalanmalarını düzenlemekte,
• Ofisler ve diğer ticari binalarda bina sakinleri ayrılana kadar tepe sıcaklık değerlerini geciktirmekte,

• Tepe sıcaklıkları düşürmekte ve klima sistemine ihtiyacı azaltmakta,
• Klima sistemi ile birlikte kullanıldığında soğutmada kullanılan enerjide%50’ye kadar düşüş sağlayabilmekte,

• Binaların enerji maliyetlerini azaltabilmekte,
• Hem ısıtma hem de soğutmada kullanılan enerjiyi azaltarak en önemli sera gazı olan CO2 emisyonunu düşürmektedir.

Yapı malzemelerinin termal kütlesi
Bir yapı malzemesinin enerji verimliliğine katkı sağlayacak yüksek termal kütle özelliğine sahip olması için üç özellik gerekmektedir. Bunlar;

1. Yüksek özgül ısı kapasitesi
2. Yüksek özgül ağırlık
3. Orta seviyede ısıl iletkenlik Tablo 1’de görüleceği üzere tuğla, taş ve beton gibi özgül ağırlığı yüksek yapı malzemeleri bu özelliklere sahiptir. Tabi burada spesifik ısı kapasitesi ve iletkenlik özellikleri de önemlidir. Bu üç özelliğin bir kombinasyonu olarak termal kütle performansı ortaya çıkmaktadır.

Betonun termal kütlesi, binaların günlük ısıtma ve soğutma döngüsüne uygun bir hızda ısının malzemenin yüzeyi ile içi arasında hareket ettiği anlamına gelir. Ahşap gibi bazı malzemeler yüksek ısı kapasitesine sahiptir, ancak ısıl iletkenlikleri nispeten düşüktür ve bu da gün içinde ısının emilme ve gece açığa çıkma oranını sınırlandırır. Çelik, ısıyı depolayabilir; ancak ahşabın aksine çok yüksek bir termal iletkenliğe sahiptir. Bu da ısının bir binanın doğal ısı akışıyla senkronize edilemeyecek kadar hızlı emildiği ve salındığı anlamına gelir.

Betonun Termal Kütlesinin Enerji Verimliliğine Etkisi
Sıcak yaz günlerinde, termal kütleye sahip duvarlar ve zeminler, yüzeylerinde ısıyı sabit bir şekilde emerek içeri doğru iletir ve gece daha soğuk havaya maruz kalana kadar depolar. Bu noktada ısı yüzeye geri dönmeye başlar ve serbest kalır. Bu şekilde ısı, Şekil 1’de görüldüğü gibi dalga benzeri bir formasyonla hareket eder ve gündüz/gece koşullarındaki değişime yanıt olarak dönüşümlü olarak emilir ve serbest bırakılır.
Isıyı bu şekilde emme ve salma yeteneği, termal kütleye sahip binaların değişen koşullara doğal olarak yanıt vermesini sağlayarak iç sıcaklığın dengelenmesine yardımcı olur ve büyük ölçüde kendi kendini düzenleyen bir ortam sağlar. Uygun şekilde kullanıldığında, bu dengeleyici etki yaz aylarında aşırı ısınma sorunlarının önlenmesine yardımcı olur ve mekanik soğutma ihtiyacını azaltır. Benzer şekilde, ısıyı emme yeteneği, güneş enerjisi kazanımlarını ve dâhili cihazlardan gelen ısıyı yakalayıp daha sonra serbest bırakarak ısıtma mevsimi boyunca yakıt kullanımını azaltmaya yardımcı olur.

Hava sıcak olduğunda, serin olan beton, içerideki insanların daha serin ve rahat hissetmelerini sağlayabilmektedir. Ayrıca beton, istenmeyen ısıyı emerek (absorbe ederek) iç mekânlardaki sıcaklığın yükselişini yavaşlatmaktadır. Sıcaklıklar gece boyunca düştüğünde, binayı havalandırmak için gece daha serin olan hava kullanılmaktadır. Böylelikle, betonun gündüz absorbe etmiş olduğu ısı tahliye edilmekte ve beton ısı kaybederek ertesi güne hazır hale gelmektedir. Bu sıcak-soğuk depolama etkisi, daha konforlu ve stabil iç mekan sıcaklıkları sağlamaktadır. Termal kütlenin bu faydası, geleneksel olarak Güney Avrupa’daki konutlarda uzun yıllardır kullanılmaktadır ve iklim değişikliği etkisinin aşırı ısınmaya neden olduğu diğer bölgelerde de önem kazanmaktadır. Ayrıca, ticari binalarda mekanik soğutma maliyetlerini azaltmanın bir yolu olarak fayda sağlamaktadır.
Termal kütle konusunda çalışmalar
Finlandiya’daki Tampere Üniversitesi tarafından 28 adet uluslararası yayın taranarak konu ile ilgili bilgiler derlenmiş ve bazı sonuçlara varılmıştır.

• Isıtmada termal kütlenin kullanılması ile %2-15 oranında tasarruf sağlanmaktadır. Hafif ve ağır binalar karşılaştırıldığında Kuzey Avrupa’daki iklim şartlarında %10’luk tipik bir tasarruf görülmektedir.

• Yaz aylarında soğutma kullanılmadığında ağır bir iç mekândaki en yüksek hava sıcaklıkları, dengi hafif binalara göre 3-6 oC daha düşük olmaktadır.

• Ofis binalarında gece havalandırma yapılması mekanik soğutmanın kullanımını azaltabilir ya da tamamen ortadan kaldırabilir. Yüksek termal kütle ile birlikte gece havalandırma yapıldığında ise soğutma için gerekli enerji-de %50’ye varan bir azalma sağlanmaktadır.
• Yüksek termal kütle ile arttırılmış hava sızdırmazlığının tek ailelik konutlarda kullanılması, hafif dengi ile karşılaştırıldığında, ısıtma enerjisi tüketiminde %20 azalma sağlar.

Sonuç
Termal kütle, malzemenin doğasında bulunan bir özellik olduğundan, tüm beton yapılarda ek bir maliyet olmadan bu özellikten yararlanılabilmektedir. Hem doğal havalandırma sayesinde hem de gölgelendirme, yönlendirme ve yalıtımın doğru yerleştirilmesi gibi akıllı tasarım özellikleri sayesinde pasif etkisi artırılabilmektedir. Soğuk havanın betona gömülü borular aracılığıyla iletildiği termal olarak aktif bina sistemlerinin kullanılmasıyla da etkin bir şekilde artırılması mümkündür. Büyük sıcaklık farkları veya soğuk hava cereyanları yaratılmadığından bu, enerji açısından en verimli ve konforlu aktif soğutma şekli olabilir. Termal kütle sayesinde, bu aktif soğutma sistemi, elektrik talebinin düşük olduğu saatlerde (örneğin gece boyunca) enerjisini kullanabilir. Bu enerji depolama etkisi, enerji kullanımının en yoğun olduğu zamanlarda enerjiye olan ihtiyacı azaltarak elektrik şebekesinin dengelenmesine yardımcı olmakta ve değişken yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını artırmaktadır.

Kaynaklar:

1. https://www.cement.org/buildingcodes/structural-design/energy-performance/thermal-mass

2. https://www.concretecentre.com/Performance-Sustainability-(1)/Thermal-Mass.aspx
3. https://www.theconcreteinitiative.eu/images/ECP_Documents/ConcreteForEnergyEfficientBuildings_EN.pdf

Yasin Engin – İnşaat Yüksek Mühendisi

1. Beton gevrek bir malzeme midir?

Betonun gevrek bir malzeme olup olmadığı konusuna geçmeden önce ilgili terimlerin üzerinde durulması faydalı olacaktır.

Süneklik: Bir malzemenin plastik şekil değiştirme kabiliyetine süneklik denir.

Gevreklik: Plastik şekil değiştirme kabiliyetinin olmaması durumunu ifade eder.

Tokluk: Malzemenin kopana dek absorbe ettiği (soğurduğu) toplam enerjiyi ifade eder. Sünek malzemelerin tokluğu yüksek, gevrek malzemelerin tokluğu ise düşüktür.

Şekil 1’de gevrek ve sünek kırılma şematik olarak gösterilmektedir.

Şekil 2’deki grafikte gevrek ve sünek malzemelerin davranışı görülmektedir.

Şimdi baştaki soruyu tekrar soralım: Beton gevrek bir malzeme midir?

Betona gevrek bir malzeme demek tam olarak doğru değildir. Beton kısmen gevrek özellik gösterse de kırılma mekaniği incelendiğinde yarı gevrek (quasi-brittle) davranış sergilediği açıkça görülmektedir. Ayrıca, betona gevrek bir malzeme demek büyük bir haksızlık olacaktır. Beton, çelik gibi sünek bir malzeme olmadığı gibi cam gibi de gevrek değildir. Unutulmamalıdır ki mühendislik, malzemenin sünek olmasını yani tokluk seviyesinin yüksek olmasını tercih eder.

Beton, üç fazlı heterojen bir malzemedir. Şekil 3’te betonun bu üç fazı gösterilmiştir. Bunlar;

1. Agrega
2. Çimento hamuru (matris)
3. Agrega – çimento hamuru ara yüzeyidir.

Betonun kırılma mekaniği bu üç fazın özelliklerinin bir sonucudur. Şekil 4’te betonun gerilme – şekil değiştirme grafiği görülmektedir. Bu grafik incelendiğinde betonun farklı yük seviyelerinde farklı davranış sergilediği görülmektedir.

Beton, herhangi bir yüke maruz kalmasa bile içinde boşluklar ve mikro çatlaklar bulundurur. Bu mikro çatlaklar agrega – çimento hamuru ara yüzeyinde malzemelerin farklı mekanik özellikleriyle birlikte rötre (büzüşme) ve termal gerilmeler nedeniyle oluşur. Bu çatlaklar betonun düşük çekme dayanımına sahip olmasının da sorumlusudur.

Beton, tepe yükünün (f_cu) %30’una kadar lineer elastik bir davranış sergiler. Bu süreçte agrega – çimento hamuru ara yüzeyinde çatlaklar oluşur ve mevcut çatlaklar aktif hale geçer. Bu çatlaklar stabil haldedir. Yük kaldırıldığında şekil değiştirme ilk haline yani “0” değerine geri döner.

Tepe yükünün (f_cu) %70-90’ı kadar yüklemede ise elastik davranış kaybolur. Şekil 4’te görüldüğü gibi eğri, lineerlikten sapmaya başlar. Bu aşamadan agrega – çimento hamuru ara yüzeyindeki çatlakların uzunluğu, genişliği, sayısı ve şiddeti artar. Tepe yüküne (f_cu) yaklaştıkça çatlak oluşumu çimento hamuruna geçer ve çatlaklar uygulanan yük doğrultusunda birleşerek ilerlemeye devam eder. Bu aşamada çatlak ilerlemesi hızlanır ve yeni çatlaklar oluşur. Grafikte görüldüğü gibi eğri lineerlikten daha da uzaklaşır.

Tepe yüküne ulaşıldığında ise beton artık daha fazla yüke karşı koyamaz ve şekil değiştirme daha düşük yük altında devam eder. Çatlaklar ilerlemeye devam ettikçe şekil değiştirmeler artar ve yük taşıma kapasitesi azalır. Bu davranış betonun yük taşıma kapasitesinin aniden sıfırlanmasına engel olur. Tepe yükünden (f_cu) sonra beton tokluk kazanır ve gevrek davranışın dışında yani “yarı gevrek” davranış sergiler. Tepe yükünden sonraki bölgede “şekil değiştirme yumuşaması” meydana gelir. Kırılma yani betonun göçmesi, betonun daha fazla şekil değiştiremediği noktada gerçekleşir.

• Betondaki çimento miktarı arttıkça basınç dayanımı artar mı?

Beton dayanımı; çimento matrisine, matris-agrega arasındaki bağa (ara yüzey) ve agrega dayanımına dayanmaktadır. Normal dayanımlı beton için matris dayanımı ve matris-agrega ara yüzeyi ön planda iken, yüksek dayanımlı betonlarda agrega dayanımı da öne çıkmaktadır. Matris (çimento hamuru) ve matris-agrega bağ dayanımı büyük oranda matrisin porozitesine (gözeneklilik) bağlıdır. Porozite başlangıçta çok ince tanecikli malzemelerin ve daha sonra hidratasyon ürünlerinin boşlukları doldurması ile azalmaktadır. Dolayısıyla da su/çimento oranın azalması ve hidratasyon derecesinin artması sonucu basınç dayanımı artmaktadır. Şekil 5’te su/çimento oranı ve beton basınç dayanımı arasındaki ilişki görülmektedir.

Beton karışımında çimento miktarının artması su/çimento oranının kesinlikle azalması anlamına gelmemektedir. Bunu bir soru ile daha iyi ifade etmek mümkün. Aynı malzemeler ile üretilen bir betonda çimento içeriğinin 300 kg’dan 450 kg’a artırılması basınç dayanımını kesinlikle arttırır mı? Bu sorunun cevabı aşağıdaki grafikte net bir şekilde görülmektedir. Türkiye’de laboratuvar ölçekli yapılan bu çalışmada eşit su/çimento oranında çimentonun dozajının arttırılması beton basınç dayanımını belirgin bir şekilde değiştirmemektedir. Bu çalışmadan çıkan diğer bir bulgu da eşit koşullarda eşit su/çimento oranında beton basınç dayanımları eşdeğerdir. Demek ki çimento miktarından ziyade su/çimento oranı beton dayanımını etkilemektedir. Ayrıca, su/çimento oranının düşük olması dayanım kadar dayanıklılık için de son derece önemlidir.